盾構穿越上軟下硬及硬巖段施工技術分析

楊寶

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京市 101149）

1 工程概況

橫琴盾構隧道起迄里程左線D K7+957.500～D K9+497.100，全長 1.540 km，右線 Y D K7+987.848～Y D K9+541.298，全長1.553 km，雙洞單線，采用盾構法施工。隧道洞頂覆土厚度水下段20～30 m，一般地段隧道洞頂埋深10～20 m。盾構掘進示意見圖1。在施工過程中，在軟硬不均、硬巖地層中掘進是難點，區間在接收階段左線約142.5 m，右線約80.125 m，是強風化～弱風化硬巖段。盾構機在上軟下硬、硬巖地層中掘進是難點。盾構穿越上軟下硬地層，更換刀具時，開挖面不穩定存在風險。因此，如何保證安全順利地更換刀具是難點。

圖1 盾構掘進示意圖

2 上軟下硬地層盾構施工難點

（1）盾構機向前掘進時，速度緩慢，容易發生掘進偏差現象。實踐證明，在不同硬度土層中掘進時，其掘進速度也是不同的。但是，總而言之，盾構機在向前掘進時，速度較慢。比如，對于強度為130 MPa的巖石層來講，需要將盾構機的掘進速度控制在7 mm/min。除此之外，盾構機在向前掘進時，存在頭重腳輕的現象，主要是由于盾構機在工作時，僅僅依靠軟弱土層中的摩擦力和推動力，無法有效地保持盾構姿勢，從而出現低頭現象。因此，可以通過對盾構下部的推動力進行增加來確保盾構機的姿勢，穩步前進[1]。但由于土層硬度不同，掘進速度不同。在進行工作時，推力和扭矩存在較大的變化，從而出現土層偏移現象，并且無法對其進行有效的控制，影響工程質量。

（2）盾構機刀具磨損得非常嚴重。在盾構機向前掘進時，刀具存在一定程度的磨損，主要表現在以下幾點：a.上軟下硬的地層確定了盾構機的工作方式，在這種情況下，如果對盾構機的掘進參數無法進行有效地控制，則會導致盾構機刀盤出現結泥餅現象，使滾刀發生偏磨現象；b.由于盾構機下部單軸位移硬巖石層中，滾刀的磨損情況加劇，使刀具嚴重消耗甚至出現刀具崩裂的現象。因此，盾構機在進行掘進時，需要對刀具進行更換，并且根據實際的情況來進行刀具的更換操作，并且確保工作的安全。

（3）巖土噴涌嚴重，清碴工作量增大。對于顆粒較小的土層來講，由于其具有砂土和黏土的特性，使小顆粒不斷地從小顆粒中落下，填補了空隙。并且，由于下部的硬巖石層風華強度較小，存在一定的裂縫，使掘進工作中容易發生漿液流失的現象[2]。因此，施工人員如果不嚴格地控制盾構機的掘進參數，則會出現涌水的現象，并且需要增加大量的人力和財力來對碴土進行清理，這就提高了施工成本。

3 盾構穿越上軟下硬段及硬巖段施工

3.1 上軟下硬段施工

3.1.1 推力

對滾到破碎巖石的原理進行分析，需要確保推力參數符合要求。隨著推力的不斷增加，扭矩也會不斷地增加，并且扭矩是巖石破碎工作中的主要部分。此外，由于推力的不斷增加，切刀和齒刀深入巖石層的深度越大，并且在相同條件下，切削下來的碴土量也不斷增加。

但是，在對上軟下硬的地層進掘進時，刀盤和刀具的受力失去平衡。硬巖部位受到的推力較大，而軟巖石受到的推力較小，由此也可以看出硬巖石部分減緩了盾構機的掘進速度。如果推力過大，則會對刀具產生影響，導致刀具發生變形現象[3]。

對某地方進行施工時，如果掘進推力過大，刀盤容易出現卡死現象。此外，其對推進系統的要求也有所提高。由于受力不均勻，會使刀具發生變形。

3.1.2 刀盤轉速

在對上軟下硬的地層進行掘進操作時，硬巖石部位仿佛一個高強度的樁基，并且會對刀具的正常旋轉產生影響，使刀具承受的沖擊增大。以愛因斯坦的能量公式E=m v2為基礎進行分析，在刀盤質量一定時，轉速越快，對硬巖石產生的沖擊力越大。由此可以看出，在對上軟下硬地層進行掘進操作時，需要嚴格控制刀盤的轉動速度，采用勻速的方式來對進行掘進工作。

3.1.3 刀具貫入度

在對上軟下硬地層進行掘進操作時，施工人員需要密切地關注刀具的意外磨損和刀具的偏磨現象。一般來講，在掘進過程中，技術人員需要密切重視渣土的情況和刀盤發出的聲音。如果渣土中石塊較少，并且無異常響動時，可以通過增加刀具貫入量的方式來提高盾構機的掘進速度[4]。隨著不斷地增加推力，需要密切地關注刀盤的異常和出渣情況，這樣才能有效地保證刀具正常工作。

3.1.4 渣土管理

（1）土倉壓力：在對上軟下硬地層進行掘進操作時，需要根據軟土的深度和物理性能來確定土倉壓力。在對上軟下硬地層進行掘進操作時，由于掘進速度較慢，并且存在較大的扭矩力，無法有效地平衡土倉壓力。并且，采用氣壓平衡模式來進行掘進工作。

（2）出土量：由于盾構機向前掘進時，推進速度比較慢，刀盤切削下來的渣土量較少，但是，螺旋輸送機每次運輸的鋤土量比較大，這就會出現軟土部位超挖或者過挖現象，造成地面下沉或者地面坍塌現象。因此，在對上軟下硬地層進行掘進操作時，需要對每個環節的出土量進行嚴格控制。必要時，可以對渣土劃上刻度，從而有效地控制渣土的出土量，確保出土的平衡。

（3）渣土狀態：為了有效地控制土倉壓力，提高土倉渣土的止水性能，需要采用相應的措施來確保泡沫系統能夠正常地進行工作，并且還需要增加一些泡沫劑提高渣土的流塑性能。當掌子面的滲透性過強時，可以向土倉內加入適當的膨潤土來對渣土的性能進行改善，否則會發生渣土噴涌現象，出現地面沉降。此外，施工人員需要不斷關注渣土的稀稠、含水量、含土量、含石量以及石塊的尺寸、顏色等，全面掌握和判斷掌子面的地層狀態。

（4）渣土濕度：一旦施工中渣土的溫度過高則會直接影響施工和機械的正常工作。主要表現為以下幾方面：一旦刀盤中心形成泥餅，刀具就無法有效地抵擋掌子面對巖土的切削，使泥餅在高溫下發生固結現象；當刀具發生嚴重的損壞時，刀盤面板會與掌子面發生直接的摩擦，從而引起穩定升高；在系統中加入泡沫劑時，無法對渣土的性能進行改善，使渣土在土倉內結塊或者相互摩擦產生熱量，提高渣土的穩定。通過對渣土的穩定進行分析和觀察，及時判斷故障或者異常，采取有效的措施來解決問題。一般來講，當渣土溫度過高時，需要及時停止盾構機的掘進操作。由于本路段含有大量的粘土，在進行掘進時，需要對渣土進行改良，確保刀具不會出現磨損現象[5]。

（5）同步注漿：在對上軟下硬地層進行掘進操作時，主要需控制注漿的壓力。由于地層的穩定性較差，在注漿操作時有可能會出現坍塌現象。

（6）在必須換刀的情況下，技術人員需要做好更換刀具的工作。并且，根據實際的情況來選擇刀具的更換方式。

3.1.5 碴土噴涌防治

在對上軟下硬地層進行掘進操作時，盾構機螺旋出土器排出的渣土中水分的含量較低，并且壓力幾乎為0。如果此時渣土中水依然存在壓力，則會造成渣土噴涌的現象。為了有效地避免渣土噴涌現象的發生，需要通過加入發泡劑和膨潤土來對渣土性能進行改善。膨潤土適用于細顆粒較少的砂性土壤，發泡劑適用于各類配級的砂性土壤。

3.2 硬巖段施工

（1）在對其進行盾構操作時，盾構機的推進狀態由平衡狀態轉變為半土壓平整狀態，并且根據實際的情況來對土壓力數值進行調整，并且對注漿量、注漿壓力等進行及時調整，減緩推進速度。

（2）在對硬巖石段進行破碎時，需要及時更換滾刀。

（3）當必須更換刀具時，技術人員需要做好刀具的更換工作。更換刀具是一項復雜、風險大、難度大的工作，其與工程質量有著直接的關系。因此，在更換刀具之前，需要選擇穩定性能強的土層來進行操作，避免意外事件的發生。如果土層穩定性差，則需要對其進行適當的加固處理之后，才能進行更換刀具的操作。

4 結語

綜上所述，盾構穿越上軟下硬地層施工的高效進行需要建立在裂縫處理、信息化控制、地層應對等關鍵環節上。因此施工人員應當對施工的關鍵技術與關鍵點做到了然于胸，從而能夠在此基礎上切實地提升盾構穿越上軟下硬地層施工的整體水平。

參考文獻：

[1]D G/TJ 08-2041-2008,地鐵隧道工程盾構施工技術規程[S].

[2]何祥凡.盾構隧道穿越上軟下硬地層擾動機理及應對措施研究[D].四川成都:西南交通大學,2017.

[3]趙先鵬.穿越上軟下硬地層盾構隧道施工控制技術研究[D].四川成都:西南交通大學,2012.

[4]任建喜,史景陽,占有名,等.地鐵盾構施工對既有拱橋的變形影響規律與控制技術[J].施工技術,2014(18):61-65.

[5]呂向紅,楊冬梅,鄭青.全斷面卵石地層盾構近距離下穿地鐵區間隧道施工技術[J].現代隧道技術,2013(5):152-157.